一種應(yīng)用于新能源車型的小空間電動擰緊工具

關(guān)鍵詞：電機控制器控制單元；小空間；擰緊工具；扭矩精度；操作節(jié)拍

0引言

電機控制器控制單元（MCU）作為電動汽車動力總成的核心部件，直接控制車輛的扭矩和車速，如果發(fā)生失效，將危及到整車、駕駛員和行人的安全[1]。汽車總裝裝配過程主要為緊固擰緊操作，而MCU擰緊的質(zhì)量及空間是產(chǎn)品工程師和工藝工程師關(guān)注的重點，其擰緊質(zhì)量直接影響了整車行駛安全。本文針對MCU高壓線束小空間、非常規(guī)的擰緊空間，介紹了如何開發(fā)新型的非標準擰緊工具，并對工具的實際應(yīng)用做了說明。

1開發(fā)背景

1.1現(xiàn)有工具分類

在選擇螺栓擰緊工具時，應(yīng)首先了解螺栓擰緊工具的基本原理及相關(guān)參數(shù)，再考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)空間特性及裝配效率要求，選擇合適的擰緊工具[2]。目前市場上銷售以及工廠內(nèi)使用的擰緊工具從形狀上區(qū)分主要分為3類（圖1）。

（1）如緊固普通的緊固件，空間開闊則可采用槍式擰緊工具，緊固件軸向L空間要求為230.0mm以上（圖1a）。

（2）如緊固件的軸向空間受限，可考慮使用彎頭工具，一般軸向L空間需求為80.0mm以上（圖1b）。

（3）如軸向空間小于80.0mm，一般會考慮使用棘輪工具。開口棘輪工具軸向空間要求小，但是緊固件包裹面工具的B空間要求在15.0mm以上（圖1c）。

1.2現(xiàn)有工具分析

某新能源車電機控制器高壓線束與MCU連接后，線束外部采用了密封螺母與MCU緊固，以使其具有更好的密封性能。螺母對邊尺寸為30.0mm，且螺母與螺母之間距離很小，僅為9.5mm（圖2）。

從工具使用方法上分析，槍式擰緊工具和彎頭擰緊工具的擰緊方向為緊固件的軸向方向，這2類工具適合螺栓與螺母的緊固。針對廠內(nèi)MCU零件的特殊擰緊結(jié)構(gòu)，擰緊的軸向方向有高壓線束，槍式和彎頭工具肯定無法使用。開口棘輪工具本體與緊固件為垂直方向，滿足MCU高壓線束的出線，但是由于該工具包裹面的B空間為15.0mm，不滿足MCU緊固螺母間距為9.5mm的要求，因此該工具尺寸也不滿足零件的裝配需求。

2擰緊工具設(shè)計

2.1簡易工具設(shè)計

由于本零件緊固暫未開發(fā)合適的電動工具，為滿足生產(chǎn)造車，廠內(nèi)臨時使用削薄加工的開口扳手完成手動擰緊（圖3）。因為手動擰緊不能連續(xù)旋轉(zhuǎn)，每一顆螺母需要經(jīng)過約8次擰緊過程（進入——旋轉(zhuǎn)——退出）才能達到扭矩要求。每一顆密封螺母最終完成時間約為24s，MCU需要擰緊5根高壓線，總共需要約120s完成操作。僅密封螺母擰緊過程就需要1人/班，完成MCU所有操作需要2人/班。該工具成本低，但是效率慢，需增加生產(chǎn)人員才能滿足裝配，因此需要根據(jù)產(chǎn)品特點設(shè)計效率較高的擰緊工具。

2.2電動工具設(shè)計需求

為了提升擰緊效率，公司決定開發(fā)非標的小空間電動擰緊工

具，設(shè)計需解決以下問題。

（1）解決零件裝配小空間及零件結(jié)構(gòu)特殊性問題。

（2）解決擰緊頭快速復(fù)位（初始位）問題。

（3）解決擰緊扭矩、復(fù)位精度問題，即動態(tài)扭矩標定精度為±1.0N·m。

（4）解決快速維修問題或切換其他型號擰緊頭問題。

（5）解決節(jié)拍效率問題，操作者能在節(jié)拍內(nèi)完成裝配。

2.3電動工具設(shè)計

按照電動工具的設(shè)計需求，對工具進行設(shè)計如下。

（1）該工具重點解決的是小空間擰緊，因此需要設(shè)計特殊擰緊頭。特殊擰緊頭是在普通工具的基礎(chǔ)上，延伸一段壁厚小于空間要求的特殊擰緊頭。在套筒上開口，開口尺寸根據(jù)高壓線束的大小以及方便線束進入和退出等需求，最終確定為15.8mm。另外根據(jù)該零件螺母間的間隙（9.5mm），套筒壁厚＜9.5mm。

（2）在擰緊槍內(nèi)部裝傳感器實現(xiàn)復(fù)位，使其擰緊頭無論旋轉(zhuǎn)在任何位置都能快速復(fù)位，而且能快速完成取出并進入下一輪操作。

（3）由于MCU的高壓線束擰緊為關(guān)鍵控制扭矩（PF1），因此該工具在擰緊扭矩精度上需滿足±1.0N·m內(nèi)。擰緊槍采用齒輪方式傳輸動力，可解決扭矩精度高、復(fù)位精確高的問題。

（4）擰緊頭與槍身采用精細的螺栓連接，如有損壞需要更換備件或更換不同尺寸型號的擰緊頭時，可實現(xiàn)快速更換。

（5）電動擰緊工具相比開口扭矩扳手效率明顯提升。電動擰緊工具是比較成熟的結(jié)構(gòu)，因此滿足基本的擰緊、提醒等功能即可。

綜合以上設(shè)計及實際應(yīng)用場景，整體的工具設(shè)計如圖4所示。工具分為8部分，其中，特殊擰緊頭用于螺母端的擰緊；工具開關(guān)不僅包含正常擰緊，也包含復(fù)位功能，即達到擰緊扭矩后，再按開關(guān)則使擰緊頭逆時針復(fù)位到初始狀態(tài)；工具電池有2塊，一用一備，方便充電和日常使用；擰緊頭的連接螺栓可以將擰緊頭和槍身快速連接在一起。另外，該工具還具備扭矩調(diào)整，工具的最大扭矩量程為35.0N·m，因此可以根據(jù)設(shè)計要求在量程內(nèi)進行調(diào)整。扭矩調(diào)整以及日常標定工作由工具管理者負責(zé)，在廠內(nèi)維修間進行，產(chǎn)線裝配操作人員不能隨意調(diào)整。

該電動擰緊工具還配備了LED顯示燈以及蜂鳴器，顯示燈根據(jù)不同的情況會顯示綠、紅、黃、藍4種不同的顏色。通過手指按下電源開關(guān)，伴隨蜂鳴器的響聲，LED顯示燈會馬上亮起且工具開始轉(zhuǎn)動；放開時，工具內(nèi)的驅(qū)動電機動力停止，工具會立刻停止運作，但LED燈仍會停留5s才關(guān)閉。不同LED顯示燈顏色和蜂鳴器響聲，將對應(yīng)不同的工具狀態(tài)（表1）。

3工具實際應(yīng)用跟蹤

3.1工具操作步驟

電動擰緊工具設(shè)計完成后，在MCU零件裝配崗位進行實際操作。按照工具設(shè)計的特點，操作過程主要分為5個步驟（圖5）。

（1）準備工作。將工具的擰緊頭通過開口放入高壓線束處，因為開口尺寸為15.8mm，工具需要先從高壓線束端進入。

（2）將工具擰緊頭從線束端平移至螺母端，確保特殊擰緊頭部嚙合螺母。

（3）按下開關(guān)，特殊頭套筒帶動螺母順時針旋轉(zhuǎn)緊固，達到設(shè)定的扭矩后，LED顯示燈顯示為綠色，此時操作者則可松開開關(guān)。

（4）將工具從螺母端平移至線束端，與工具進入的操作步驟相反，為工具退出零件做準備。

（5）按下開關(guān)，特殊頭套筒逆時針旋轉(zhuǎn)至初始位置。此時工具通過開口部位則可退出線束端，工具脫離零件，表示一次擰緊操作完成。如進行下一個螺母擰緊，則重復(fù)如上的操作。

3.2工具操作驗證

針對工具的設(shè)計需求，對工具在現(xiàn)場應(yīng)用的情況進行跟蹤，從裝配空間、扭矩精度、操作節(jié)拍上進行驗證。

裝配空間：工具通過間接式擰緊滿足空間要求。由于在普通工具的基礎(chǔ)上開發(fā)特殊擰緊頭，滿足了MCU緊固螺母9.5mm的空間要求，現(xiàn)場驗證滿足裝配空間要求。

扭矩精度：動態(tài)扭矩是指設(shè)計人員根據(jù)設(shè)計的需求和技術(shù)的角度給扭矩設(shè)定一個范圍值，在汽車裝配工具上加設(shè)扭矩傳感器，從而對扭矩的峰值進行測量，即為動態(tài)扭矩測量值[3]。在維修間測試，按照前期的設(shè)計要求動態(tài)扭矩為10.0～13.0N·m，工具設(shè)定的扭矩中心值為11.5N·m。測試中維修管理員對工具進行10次測量標定，標定臺顯示的數(shù)據(jù)均在±1.0N·m內(nèi)，工具滿足扭矩精度需求。具體測量數(shù)據(jù)如表2所示。

操作節(jié)拍：該工位熟練員工使用該工具進行螺母擰緊，操作過程通過秒表計算操作時間。每顆螺母擰緊時間為8s，每臺車的MCU總共需要擰緊5根高壓線束，擰緊時間總共為40s，在廠內(nèi)30節(jié)拍（114s）的操作范圍內(nèi)。工具滿足節(jié)拍需求，因此可將工具交付到車間進行小批量使用。

3.3產(chǎn)品驗證

在小批量車輛驗證過程中，對產(chǎn)品的扭矩信息等各方面進行綜合確認。按照MCU高壓線束螺母扭矩值10.0～13.0N·m，工具設(shè)定的扭矩中心值為11.5N·m，對MCU零件擰緊后的5min內(nèi)進行靜態(tài)扭矩測量。靜態(tài)扭矩是指緊固件被擰緊的螺栓停止后，再繼續(xù)沿著擰緊方向克服靜態(tài)摩擦所達到的最大扭矩為靜態(tài)扭矩。一般使用表盤式扭矩扳手測量的扭矩值為靜態(tài)扭矩[4]。按照靜態(tài)扭矩公式，對30組靜態(tài)扭矩進行分析，計算結(jié)果靜態(tài)扭矩不合格（圖6），因此需要進一步分析。

使用關(guān)鍵扭矩控制圖表的過程中，要不斷對于擰緊的過程進行優(yōu)化與調(diào)整[5]，因此組織產(chǎn)品工程師（PE）、機械工程師（ME）、車間主管以及供應(yīng)商質(zhì)量管控（SQ）對其靜態(tài)扭矩進行討論。經(jīng)分析，扭矩衰減的主要原因是由于MCU高壓線束螺母及內(nèi)部特殊結(jié)構(gòu)所致。螺母內(nèi)布置了一個密封襯墊（圖7），因此在電動工具擰緊的過程瞬間可以滿足11.5N·m，擰緊完成后該螺母扭矩又會發(fā)生衰減。針對其特殊性，經(jīng)各區(qū)域討論及驗證，制定以下改進措施進行小批量驗證。

（1）產(chǎn)品工程師（PE）更改設(shè)計扭矩，從10.0～13.0N·m更改為11.0～13.0N·m，設(shè)計中心值為12.0N·m。

（2）機械工程師（ME）結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計更改電動工具扭矩設(shè)定值，工具扭矩從11.5N·m更改為12.0N·m。

（3）PE聯(lián)合零件供應(yīng)商對MCU高壓線束螺母進行密封實驗。實驗結(jié)果表明，密封螺母靜態(tài)扭矩在5.0N·m以上可以滿足密封需求，因此靜態(tài)扭矩抽檢按照不小于5.0N·m。

（4）為減少靜態(tài)扭矩衰減，總裝車間在使用電動擰緊工具緊固后，外加開口定扭扳手進行一次復(fù)扳操作。

以上措施通過小批量驗證并重新收集30組靜態(tài)扭矩。經(jīng)過靜態(tài)扭矩公式分析，扭矩穩(wěn)定合格（圖8），因此以上措施定為長期措施執(zhí)行。

4工具創(chuàng)新分析及推廣

4.1工具創(chuàng)新分析

特制的電動擰緊工具相對于傳統(tǒng)普通的擰緊工具有如下創(chuàng)新點。

（1）工具空間要求小，特制擰緊頭開口尺寸，既滿足線束進出要求，也滿足擰緊需求。

（2）擰緊速度快，可實現(xiàn)電動擰緊操作代替手動擰緊。

（3）操作方便，設(shè)有復(fù)位功能，可快速完成擰緊并復(fù)位。

（4）精度高，采用齒輪方式傳輸動力，扭矩精度高、復(fù)位精確。

（5）維修方便，可快速完成備用擰緊頭或其他車型尺寸擰緊頭的更換。

4.2效益及推廣應(yīng)用

（1）該工具應(yīng)用更廣泛。通過間接擰緊，該工具可適用于更小范圍空間的特殊零件裝配，如線束端或管路端小空間的緊固，不僅在產(chǎn)線上可以使用，返修及售后維修亦可應(yīng)用。

（2）該工具采用齒輪傳輸動力，扭矩精度比棘輪工具高，也適合關(guān)鍵控制點的應(yīng)用。

（3）該工具復(fù)位精確，操作方便，擰緊速度快，可提升節(jié)拍。相比手動擰緊扳手（120s），每臺緊固時間可減少80s。按照產(chǎn)線規(guī)劃及各產(chǎn)線班次，廠內(nèi)涉及9條生產(chǎn)線，按照2班次計算，此工具方案可節(jié)約36人/年，節(jié)約運行成本約為432萬元/年。

（4）廠內(nèi)原有MCU產(chǎn)品密封采用螺釘式壓板結(jié)構(gòu)，每臺比現(xiàn)有螺母密封結(jié)構(gòu)高20元/臺。開發(fā)該工具后，既能滿足生產(chǎn)制造中的快速操作，并在產(chǎn)品密封要求的前提下還能降低20元/臺的成本。

4.3工具進一步優(yōu)化方向

該電動擰緊工具在裝配空間、扭矩精度以及操作節(jié)拍上滿足MCU高壓線束螺母的裝配需求，并通過設(shè)計變更以及增加扭矩扳手復(fù)扳等操作滿足設(shè)計和質(zhì)量需求，但是工具仍有部分功能需進一步優(yōu)化。如工具只能順時針擰緊，不能反轉(zhuǎn)退松螺母，返修時需要使用開口扳手，影響返修效率，后續(xù)改進會考慮增加反轉(zhuǎn)功能。另外，該工具質(zhì)量約為2.5kg，為增加操作靈活性，后續(xù)將在工具重量方面做優(yōu)化。

5結(jié)束語

本文介紹了一種應(yīng)用于小空間操作特殊電動擰緊工具的設(shè)計背景、設(shè)計過程及應(yīng)用情況，并對工具在使用過程出現(xiàn)的問題做了說明及改進。工具設(shè)計的最終目的是滿足裝配、設(shè)計及質(zhì)量需求，無論什么類型的工具都離不開用戶的需求。希望讀者通過閱讀本文，能夠了解到特殊工具的開發(fā)思路，在實際應(yīng)用上有一定的幫助。